環(huán)糊精修飾金納米粒子檢測鎘離子的研究*

關樺楠 ，龔德狀 ，瑙阿敏 ，徐麗萍 ，景芳一

（1.哈爾濱商業(yè)大學 食品工程學院，黑龍江 哈爾濱 150076；2.東北林業(yè)大學 鹽堿地生物資源環(huán)境研究中心，黑龍江 哈爾濱150040）

環(huán)糊精修飾金納米粒子檢測鎘離子的研究*

關樺楠1,2，龔德狀1，瑙阿敏1，徐麗萍1，景芳一1

（1.哈爾濱商業(yè)大學 食品工程學院，黑龍江 哈爾濱 150076；2.東北林業(yè)大學 鹽堿地生物資源環(huán)境研究中心，黑龍江 哈爾濱150040）

本文采用綠色還原法制備金納米粒子，并利用環(huán)糊精修飾金納米粒子，構建出一套便捷且高效的Cd（II）殘留比色檢測體系。實驗結果表明，當整個體系中鎘離子濃度增加時，溶液顏色發(fā)生變化，顏色由酒紅色變成藍紫色；在 Cd（II）濃度為 0.1～100μmol·L-1和 200～2000μmol·L-1范圍內(nèi)時，其濃度與體系吸光度比值（A525/A650）呈現(xiàn)明顯的線性關系，相關系數(shù)分別為0.9763和0.9787，檢出限為0.085μmol·L-1；環(huán)糊精功能化金納米粒子檢測鎘離子的體系具有較高的檢測選擇性能。

金納米粒子；環(huán)糊精；鎘離子；比色檢測體系

鎘（Cadmium，Cd）是一種重金屬元素，在工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛應用，對電鍍、印刷及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面起著重要作用，但正是這種金屬鎘的大量投入?yún)s對環(huán)境造成了嚴重的污染。鎘可在生物體內(nèi)富集，通過食物鏈進入人體引起慢性中毒，鎘被人體吸收后，在體內(nèi)形成鎘硫蛋白，選擇性地蓄積肝、腎中。所以研究鎘離子及其他重金屬檢測、分離和防控對人類生產(chǎn)生活具有重要意義[1-3]。目前，Cd（II）的檢測主要為原子光譜法、紫外-可見分光光度法、質譜法、中子活化分析法和電化學分析法等[4-7]。這些檢測方法雖然能精確測量大多數(shù)樣品中重金屬含量，但存在檢測儀器設備昂貴，操作繁瑣，難以適應現(xiàn)場檢測等缺陷[8]。因此，需要尋求一種簡單快速的定性定量技術來測定樣品中可能存在的Cd（II）。金納米材料由于其結構、形貌、粒徑大小及表面修飾的基團不同，會導致其化學性質有明顯的差異[9，10]。近年來，金納米材料以其在超導、光電、抗菌、催化等方面的廣泛應用，已經(jīng)成為當今的研究熱點之一[11-14]。本研究中，采用綠色還原法制備金納米粒子，采用自組裝法將環(huán)糊精修飾到金納米粒子表面，所制備出的功能化金納米粒子具有固定Cd（II）的特性。當體系中存在Cd（II）時，可以通過吸附作用引起聚集，從而造成溶液顏色發(fā)生變化，進而判斷樣品中Cd（II）的濃度，實現(xiàn)樣品的快速檢測。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

β-環(huán)糊精（上?；瘜W試劑有限公司）；氯金酸（天津市科密歐化學試劑有限公司）；氯化鎘（上海振興化工一廠）；KBr（上海振興化工一廠）；苯丙氨酸（國藥集團化學試劑有限公司）；甘氨酸（國藥集團化學試劑有限公司）；賴氨酸（國藥集團化學試劑有限公司）；脯氨酸（國藥集團化學試劑有限公司）；K2SO4（上海振興化工一廠）；MgCl2（上海振興化工一廠）；Ca（NO3）2（上海振興化工一廠）。

MAGNA-IR560E.S.P型傅里葉變換紅外光譜儀（美國Nicolet公司）；JEM210型透射電子顯微鏡（日本電子株式會社）；CJJ79-1型磁力攪拌加熱器（杭州儀表電機廠）；UV2250型紫外-可見光分光光度計（北京桑翌科技發(fā)展有限公司）；FC204型電子天平（沈陽龍騰電子有限公司）；PHS-3C型pH計（上海雷磁精密科學儀器有限公司）；HWS24型電熱恒溫水浴鍋（上海一恒科學儀器有限公司）。

1.2 環(huán)糊精功能化金納米粒子的制備

將100g葡萄皮浸泡于200mL水溫為80℃的去離子水中，自然冷卻至室溫。將浸泡液于4000r·min-1條件下，離心3min，取上清液，此上清液作為母液。采用去離子水將母液稀釋獲得濃度為母液20%的葡萄皮工作液200mL，冰箱4℃條件下保存（不超過2天），室溫條件下，將提前4℃預冷的20mL氯金酸溶液（1%，W/V）置于反應皿中，伴隨磁力攪拌器溫和攪動；2min后，迅速加入20%的工作液5mL，隨即觀察顏色的變化，即由黃色變?yōu)樽仙僮優(yōu)榫萍t色，當體系顏色出現(xiàn)酒紅色時，攪拌速度提升，20min后結束反應，將反應液置于冰箱4℃條件下保存。在4℃預冷的20mL的雙蒸水中，加入0.5mL金納米粒子溶膠；再加入0.2mol·L-1的碳酸鉀溶液0.1mL；在磁力攪拌的條件下，迅速加入不同濃度1mL β-環(huán)糊精水溶液（質量濃度為 1mg·mL-1），攪拌 45min，采用0.22μm濾膜過濾反應溶液，即可獲得β-CD-AuNPs溶液，4℃靜置保存。

1.3 環(huán)糊精功能化金納米粒子的表征

吸取1mL所制備的金納米粒子溶膠，加入到比色皿中，再加入2mL去離子水，混合均勻后，置于紫外-可見光分光光度計中，掃描金納米粒子的吸收光譜，確定最大吸收峰波長，比較所制備的金納米粒子可見光吸收光譜，進而初步判別金納米粒子的粒徑和含量。

1.4 比色檢測鎘離子體系的構建

篩選合適的金納米粒子構建Cd（II）的比色檢測體系。向容量為2mL樣品瓶中加入0.2mL的去離子水，再加入100μL不同濃度的 Cd（II）標液（0、0.01、0.1、1.0、50、100、200、500、1000、2000 和 5000μmol·L-1）。充分混勻后，再加入金納米粒子溶膠0.5mL，室溫條件下反應15min。觀察記錄顏色的變化，采用紫外-可見光分光光度計掃描整個體系的吸收光譜。Cd（II）濃度為橫坐標，吸收峰的峰值為縱坐標，評估鎘離子比色檢測體系線性范圍和最低檢出限。

1.5 比色檢測體系的選擇性研究

以 2000μmol·L-1的 Cd（II）標準液作為實驗對照，分別向最適體系中添加5倍于Cd（II）濃度（即10nmol·L-1） 的食品中常見的金屬離子 K+、Mg2+和Ca2+，以及苯丙氨酸、甘氨酸、賴氨酸和脯氨酸，觀察記錄顏色的變化，采用紫外-可見光分光光度計掃描整個體系的吸收光譜，分析是否影響檢測結果。

2 結果與討論

2.1 環(huán)糊精修飾金納米粒子的表征

環(huán)糊精修飾金納米粒子（β-CD-AuNPs）的透射電子顯微鏡圖片見圖1。

圖1 β-CD-AuNPs透射電子顯微鏡照片（放大100000倍）Fig.1 TEM image of β-CD-AuNPs（100000×）

由圖1可知，修飾后的金納米粒子整體形態(tài)為球型顆粒狀，且分散均勻沒有明顯的聚集，也進一步說明環(huán)糊精修飾到金納米粒子表面后具有保護劑的作用，阻礙了金納米粒子的聚集。

圖2 β-CD-AuNPs粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of β-CD-AuNPs

從圖2可知，β-CD-AuNPs的粒徑大小多分布在6～8.5nm區(qū)間，其中50%的粒子多分布在7～8nm區(qū)間。由激光粒度儀分析結果可知，β-CD-AuNPs的平均粒徑為7.7±0.8nm。粒徑大小相比于修飾之前稍有增加（7.1±0.6nm）。

圖3顯示了經(jīng)過環(huán)糊精修飾后的金納米粒子（β-CD-AuNPs）的FTIR光譜圖。

圖3 β-CD-AuNPs傅里葉紅外光譜圖Fig.3 FTIR spectra of β-CD-AuNPs

從圖3中可以明顯觀察到在2230和1560 cm-1處有的吸收波長，這是羥基的特征吸收波長，因而證明了羥基的存在，說明環(huán)糊精成功地修飾到了金納米粒子的表面[16,17]。

2.2 重金屬鎘離子檢測比色傳感體系的構建

通過檢測AuNPs溶液的紫外可見光譜和顏色變化來判斷該方法對不同濃度梯度 Cd（II）（0～5000μmol·L-1）比色檢測的靈敏度。采用上述的方法，將不同濃度的 Cd（II）溶液分別添加β-CD-AuNPs溶液中，導致AuNPs聚集，使得溶液的顏色隨著Cd（II）濃度的增加由紅色變?yōu)樗{色或者紫色。

圖4 β-環(huán)糊精功能化金納米粒子對不同濃度Cd（II）檢測Fig.4 Colorimetric detection of Cd（II） based on Gold Nanoparticles modified by Cyclodextrin

從圖4可見，不含鎘離子的金膠體溶液為淡紅色；當 Cd（II）濃度增加到 200μmol·L-1時，溶液顏色會從淡紅色變?yōu)樯罴t色；當Cd（II）濃度增加到1000μmol·L-1時，溶液顏色會有深紅色變?yōu)樽霞t色；當 Cd（II）濃度增加到 5000μmol·L-1時，溶液顏色會從紅紫色變?yōu)樗{紫色；可以通過裸眼觀察到。利用整個分子圍城一個空腔的結構，將分散在溶液中的金納米粒子能通過弱相互作用包結到環(huán)糊精的腔內(nèi)，使金納米粒子立刻被β-環(huán)糊精穩(wěn)定，在溶液中以均勻的粒徑良好分散，得到β-環(huán)糊精功能化金納米粒子（β-CD-AuNPs）溶液呈現(xiàn)淡紅色。在實驗條件下，波長在500～800nm區(qū)間的共振光散射強度較小，加入鎘離子反應后，在波長在500～800nm區(qū)間的共振光散射強度明顯增大。原因是在實驗條件下，β-CD-AuNPs對Cd（II）的化學吸附使得溶液中的β-CD-AuQDs粒徑減小，使金納米粒子從單分散狀態(tài)變成網(wǎng)狀超分子結構，隨著鎘離子濃度的增加，就會有越多的超分子結構，從而使整個溶液的共振光散射增強的幅度越大，直觀上即可觀察到樣品顏色上的不同程度變化[15-17]。

圖5 比色傳感檢測的紫外-可見光光譜Fig.5 UV-VIS spectroscopy of the colorimetric sensing mechanism for Cd（II）detection

伴隨著Cd（II）濃度的提高，吸收峰的位置逐漸發(fā)生藍移，吸收峰的波長由525nm變?yōu)?45nm左右，當體系中的 Cd（II）的濃度為 0.01μmol·L-1時，吸收峰位置出現(xiàn)在波長528nm左右；當體系中的Cd（II）的濃度為 200μmol·L-1時，吸收峰的位置則出現(xiàn)在波長540nm左右；當體系中的Cd（II）的濃度在0.01～1μmol·L-1時，吸收峰的位置基本維系不變，在波長525nm處；當濃度繼續(xù)增加至5000μmol·L-1時，吸收峰移至545nm左右。說明金納米粒子逐漸聚集，粒徑逐漸變大。整個比色體系是由于金納米粒子的形態(tài)發(fā)生變化引起的等離子共振的吸收峰發(fā)生了偏移，由初始的波長525 nm移至650 nm，顏色也由酒紅色逐漸變?yōu)樗{紫色。因此，通過考量兩個波長所對應的吸光度的比值（A530/A640）與 Cd（II）濃度的線性關系，可以構建出Cd（II）比色檢測體系的線性方程，在 0.1～100μmol·L-1和 200～2000μmol·L-1范圍內(nèi)Cd（II）濃度與吸光度比值呈現(xiàn)出一定的線性關系，回歸方程分別為Y=5.37×10-4x+0.57和Y=2.12×10-4x+1.88，其中 Y 為吸光度比值，x為 Cd（II）濃度（μmol·L-1）。兩個標準曲線的相關系數(shù)R分別為 0.9763 和 0.9787，最低檢出限為 0.085μmol·L-1。

2.3 比色檢測體系的選擇性研究

本研究選擇含有 2000μmol·L-1Cd（II）的體系作為參照，添加8種樣品中常見的物質用作抗干擾性研究，分別為苯丙氨酸、甘氨酸、賴氨酸、K2SO4、MgCl2、脯氨酸和 Ca（NO3）2，每種干擾物質的濃度為Cd（II）濃度的 5 倍，即 10nmol·L-1。

圖6 Cd（II）比色傳感體系選擇性研究Fig.6 Selectivity detection of Cd（II） based on the colorimetric sensing mechanism

3 結論

本文旨在構建簡單高效的重金屬Cd（II）比色檢測傳感體系。研究中以綠色還原法制備金納米粒子，環(huán)糊精作為修飾物功能化金納米粒子，構建環(huán)糊精功能化金納米粒子，并對其具有螯合二價重金屬離子的特性進行評估以及比色檢測體系的抗干擾性研究。研究結果表明，所制備的功能化金納米粒子在檢測Cd（II）時具有較高的靈敏度、準確度和重復性,可用于現(xiàn)場快速檢測。

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Detection for cadmium ion based on gold nanoparticles modified by cyclodextrin*

GUAN Huan-nan1,2,GONG De-zhuang1，Nao A-min1，XU Li-ping1，JING Fang-yi1
（1.College of Food Engineering,Harbin University of Commerce,Harbin 150076,China;2.Alkali Soil Natural Environmental Science Center,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China）

A simple colorimetric assay for rapid and selective sensing cadmium ion,has been developed using gold nanoparticles（AuNPs）decorated with cyclodextrin.The results showed that the concentration of cadmium ion was increased in the system,the color of the solution was from red to purple changes intuitively.The absorbance ratio（A525/A650）was linear with the Cd（II）concentration in the range of 0.1～100μmol·L-1and 200～2000μmol·L-1,with the correlation coefficients of 0.9894 and 0.9843,respectively.The limit of detection was 0.085μmol·L-1.The colorimetric sensing mechanism for gold nanoparticles modified by cyclodextrin showed high selectivity for common substance.

gold nanoparticles；cyclodentrin；cadmiumion；color detection system

TS207.3

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20171107

2017-07-20

國家自然科學基金資助項目（31201376）；黑龍江省自然科學基金項目（C2016034）；中國博士后基金資助項目（2014 T70304 和 2013M531009）

關樺楠（1983-），男，副教授，博士。